C++ 多线程编程中 memory barriers 的作用是什么？

在 C++ 多线程编程中，内存屏障的作用是确保线程之间数据的一致性。它通过强制线程按照预期顺序执行来防止数据竞争。C++ 提供了顺序一致性屏障、acquire/release 屏障和 consume/relaxed 屏障等类型的内存屏障。通过在代码中添加内存屏障，可以防止数据竞争，确保线程之间的正确数据一致性。

C++ 多线程编程中内存屏障的作用

在 C++ 多线程编程中，内存屏障是一段特殊的代码序列，旨在确保线程之间的数据一致性。当多个线程同时访问共享数据时，可能会出现数据竞争的情况，导致数据损坏或程序崩溃。内存屏障通过强制线程按照预期的顺序执行来防止数据竞争。

内存屏障的类型

C++ 中提供了多种类型的内存屏障：

• 顺序一致性屏障 (std::memory_order_seq_cst)：确保所有线程看到内存中的数据都是按照顺序一致的。
• acquire/release 屏障 (std::memory_order_acquire/release)：acquire 屏障确保在执行时已加载所有数据，而 release 屏障确保在执行后已存储所有数据。
• 其他屏障 (std::memory_order_consume/relaxed)：consume 屏障用于禁止优化，relaxed 屏障没有保证，主要用于调试目的。

实战案例

考虑以下示例代码：

int shared_value = 0;

void thread1() {
  // 从共享变量中读取
  int value = shared_value;
  
  // 使用该值进行计算
  value += 1;

  // 将更新后的值写入共享变量
  shared_value = value;
}

void thread2() {
  // 将新的值写入共享变量
  shared_value = 10;
}

如果线程 1 和线程 2 并发执行，则有可能读写数据会重叠，导致线程 1 看到共享变量在写入新值之前旧的值。为了防止这种情况，可以在代码中添加内存屏障。

添加顺序一致性屏障后，代码将：

void thread1() {
  // 从共享变量中读取
  int value = shared_value;
  
  // 使用该值进行计算
  value += 1;

  // 强制线程按顺序执行
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst);

  // 将更新后的值写入共享变量
  shared_value = value;
}

void thread2() {
  // 强制线程按顺序执行
  std::atomic_thread_fence(std::memory_order_seq_cst);

  // 将新的值写入共享变量
  shared_value = 10;
}

顺序一致性屏障确保线程 1 在更新共享变量之前加载共享变量的最新值，并且线程 2 在写入共享变量之前等待线程 1 完成计算。这样可以防止数据竞争，确保线程之间的正确数据一致性。

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